Прогноз риска развития опухоли с учетом регуляторных механизмов организма человека и процесса ангиогенеза

Файл статьи: 
Иконка PDF health-risk-analysis-2023-4-13.pdf
УДК: 
51-76
DOI: 
10.21668/health.risk/2023.4.13
Авторы: 

П.В. Трусов1,2 Н.В. Зайцева1, В.М. Чигвинцев1,2

Организация: 

1Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения, Российская Федерация, 614045, г. Пермь, ул. Монастырская, 82
2Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Российская Федерация, 614990, г. Пермь, ул. Комсомольский проспект, 29

Аннотация: 

Негативные факторы среды обитания и образа жизни оказывают значительное влияние на возникновение раковых опухолей как напрямую, так и опосредованно – через снижение функциональности защитных механизмов организма. Изучение их воздействия имеет важное практическое значение для оценки рисков и создания эффективных стратегий по предотвращению рака. Одним из методов, позволяющих учесть сложный многокомпонентный процесс взаимодействия элементов различных систем при росте опухоли, является математическое моделирование.

Представлен подход к оценке риска развития раковой опухоли с помощью построенной прогнозной модели, описывающей динамику аномальных клеток с учетом механизмов регуляции и ангиогенеза. Применяется эволюционный подход к оценке накопления функциональных нарушений иммунной системы, вызванных естественным старением и воздействием химических факторов среды обитания. Для оценки возможного исхода возникновения раковой опухоли при различных возможных характеристиках аномальных клеток применяется метод Монте-Карло.

Приведены результаты проведенных вычислительных экспериментов по описанию динамики изменения характеристик клеточных популяций в рассматриваемой ткани органа. Показано развитие системы кровеносных сосудов при различном воздействии наиболее значимых факторов. Проведен анализ результатов расчетов для нескольких сценариев, описывающих динамику роста раковой опухоли с учетом механизмов ангиогенеза при различных параметрах функциональной поврежденности иммунной системы и характеристиках аномальных клеток. Выполнена оценка риска развития опухоли с учетом параметров, определяющих состояние организма (иммунной системы), и характеристик аномальных клеток.

Использование данного подхода позволяет разработать систему профилактических и санитарно-гигиенических мероприятий на территориях с неблагоприятным состоянием среды обитания в целях снижения онкологической заболеваемости.

Ключевые слова: 
математическое моделирование, эволюция функциональных нарушений, ангиогенез, иммунная система, нейроэндокринная регуляция, развитие опухоли, факторы риска, метод Монте-Карло
Трусов П.В., Зайцева Н.В., Чигвинцев В.М. Прогноз риска развития опухоли с учетом регуляторных механизмов организма человека и процесса ангиогенеза // Анализ риска здоровью. – 2023. – № 4. – С. 134–145. DOI: 10.21668/health.risk/2023.4.13
Список литературы: 
  1. Cancer statistics for the year 2020: An overview / J. Ferlay, M. Colombet, I. Soerjomataram, D.M. Parkin, M. Piñeros, A. Znaor, F. Bray // Int. J. Cancer. – 2021. – Vol. 149, № 4. – P. 778–789. DOI: 10.1002/ijc.33588
  2. Soerjomataram I., Bray F. Planning for tomorrow: global cancer incidence and the role of prevention 2020–2070 // Nat. Rev. Clin. Oncol. – 2021. – Vol. 18, № 10. – P. 663–672. DOI: 10.1038/s41571-021-00514-z
  3. Aluminium bioaccumulation in colon cancer, impinging on epithelial-mesenchymal-transition and cell death / R. Bon-figlio, R. Sisto, S. Casciardi, V. Palumbo, M.P. Scioli, E. Giacobbi, F. Servadei, G. Melino [et al.] // Sci. Total Environ. – 2023. – Vol. 908. – P. 168335. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.168335
  4. Allam M.F. Breast cancer and deodorants/antiperspirants: a systematic review // Cent. Eur. J. Public Health. – 2016. – Vol. 24, № 3. – P. 245–247. DOI: 10.21101/cejph.a4475
  5. Carcinogenicity assessment: Addressing the challenges of cancer and chemicals in the environment / F. Madia, A. Worth, M. Whelan, R. Corvi // Environ. Int. – 2019. – Vol. 128. – P. 417–429. DOI: 10.1016/j.envint.2019.04.067
  6. Air pollution and its effects on the immune system / D.A. Glencross, T.-R. Ho, N. Camina, C.M. Hawrylowicz, P.E. Pfeffer // Free Radic. Biol. Med. – 2020. – Vol. 151. – P. 56–68. DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2020.01.179
  7. Влияние загрязнения воздуха на распространенность аллергопатологии у жителей экологически неблагопри-ятных районов России: обзор / И.П. Крайнюков, Ф.М. Ивашиненко, Р.Р. Евсиенко, Р.Т. Велибеков // Общество, образо-вание, наука в современных парадигмах развития: сб. трудов по материалам Национальной научно-практической кон-ференции / под общ. ред. Е.П. Масюткина. – 2020. – С. 227–230.
  8. Кожин А.А., Жуков В.В., Попова В.А. Нейроэндокринные нарушения онтогенеза человека экологической этиологии и их восстановительная терапия (обзор литературы) // Вестник новых медицинских технологий. Электронное издание. – 2021. – № 1. – С. 83–91. DOI: 10.24412/2075-4094-2021-1-3-1
  9. Crosstalk between cancer and immune cells: Role of tumor-associated macrophages in the tumor microenvironment / J. Wang, D. Li, H. Cang, B. Guo // Cancer Med. – 2019. – Vol. 8, № 10. – P. 4709–4721. DOI: 10.1002/cam4.2327
  10. Основы иммуноонкологии и иммунотерапии в онкологии / Е.Н. Логинова, Е.А. Лялюкова, Е.В. Надей, Е.В. Семенова // Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. – 2022. – № 9 (205). – С. 129–139. DOI: 10.31146/1682-8658-ecg-205-9-129-139
  11. Мезенцева Л.В., Перцов С.С. Математическое моделирование в биомедицине // Вестник новых медицинских технологий. – 2013. – Т. 20, № 1. – С. 11–13.
  12. Walpole J., Papin J.A., Peirce S.M. Multiscale computational models of complex biological systems // Annu. Rev. Biomed. Eng. – 2013. – Vol. 15. – P. 137–154. DOI: 10.1146/annurev-bioeng-071811-150104
  13. Регуляция противовирусного иммунного ответа организма: математическая модель, качественный анализ, ре-зультаты / П.В. Трусов, Н.В. Зайцева, В.М. Чигвинцев, Д.В. Ланин // Математическая биология и биоинформатика. – 2018. – Т. 13, № 2. – С. 402–425. DOI: 10.17537/2018.13.402
  14. A mathematical model of the immune and neuroendocrine systems mutual regulation under the technogenic chemical factors impact / N.V. Zaitseva, D.A. Kiryanov, D.V. Lanin, V.M. Chigvintsev // Comput. Math. Methods Med. – 2014. – Vol. 2014. – P. 492489. DOI: 10.1155/2014/492489
  15. The interleukin-1 cytokine family members: Role in cancer pathogenesis and potential therapeutic applications in cancer immunotherapy / B. Boersma, W. Jiskoot, P. Lowe, C. Bourquin // Cytokine Growth Factor Rev. – 2021. – Vol. 62. – P. 1–14. DOI: 10.1016/j.cytogfr.2021.09.004
  16. Bairagi N., Chatterjee S., Chattopadhyay J. Variability in the secretion of corticotropin-releasing hormone, adrenocor-ticotropic hormone and cortisol and understandability of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis dynamics – a mathematical study based on clinical evidence // Math. Med. Biol. – 2008. – Vol. 25, № 1. – P. 37–63. DOI: 10.1093/imammb/dqn003
  17. Kerdiles Y., Ugolini S., Vivier E. T cell regulation of natural killer cells // J. Exp. Med. – 2013. – Vol. 210, № 6. – P. 1065–1068. DOI: 10.1084/jem.20130960
  18. T cell exhaustion and Interleukin 2 downregulation / M.Y. Balkhi, Q. Ma, S. Ahmad, R.P. Junghans // Cytokine. – 2015. – Vol. 71, № 2. – P. 339–347. DOI: 10.1016/j.cyto.2014.11.024
  19. Boyman O., Sprent J. The role of interleukin-2 during homeostasis and activation of the immune system // Nat. Rev. Immunol. – 2012. – Vol. 12, № 3. – P. 180–190. DOI: 10.1038/nri3156
  20. Effects of interleukin-2 in immunostimulation and immunosuppression / J.G. Pol, P. Caudana, J. Paillet, E. Piaggio, G. Kroemer // J. Exp. Med. – 2020. – Vol. 217, № 1. – P. e20191247. DOI: 10.1084/jem.20191247
  21. Demas G.E., Adamo S.A., French S.S. Neuroendocrine-immune crosstalk in vertebrates and invertebrates: Implications for host defence // Functional Ecology. – 2011. – Vol. 25. – P. 29–39. DOI: 10.1111/j.1365-2435.2010.01738.x
  22. Haus E., Smolensky M.H. Biologic rhythms in the immune system // Chronobiol. Int. – 1999. – Vol. 16, № 5. – P. 581–622. DOI: 10.3109/07420529908998730
  23. Mathematical model of antiviral immune response. I. Data analysis, generalized picture construction and parameters evaluation for hepatitis B / G.I. Marchuk, R.V. Petrov, A.A. Romanyukha, G.A. Bocharov // J. Theor. Biol. – 1991. – Vol. 151, № 1. – P. 1–40. DOI: 10.1016/S0022-5193 (05) 80142-0
  24. Farhood B., Najafi M., Mortezaee K. CD8+ cytotoxic T lymphocytes in cancer immunotherapy: A review // J. Cell. Physiol. – 2019. – Vol. 234, № 6. – P. 8509–8521. DOI: 10.1002/jcp.27782
  25. B cells, plasma cells and antibody repertoires in the tumour microenvironment / G.V. Sharonov, E.O. Serebrovskaya, D.V. Yuzhakova, O.V. Britanova, D.M. Chudakov // Nat. Rev. Immunol. – 2020. – Vol. 20, № 5. – P. 294–307. DOI: 10.1038/s41577-019-0257-x
  26. Oh P.J., Jang E. Effects of psychosocial interventions on cortisol and immune parameters in patients with cancer: A meta-analysis // J. Korean Acad. Nurs. – 2014. – Vol. 44, № 4. – P. 446–457. DOI: 10.4040/jkan.2014.44.4.446
  27. Recent advancements of nanomedicine towards antiangiogenic therapy in cancer / A. Mukherjee, V.S. Madamsetty, M.K. Paul, S. Mukherjee // Int. J. Mol. Sci. – 2020. – Vol. 21, № 2. – P. 455. DOI: 10.3390/ijms21020455
  28. Anti-angiogenic therapy: current challenges and future perspectives / F. Lopes-Coelho, F. Martins, S.A. Pereira, J. Serpa // Int. J. Mol. Sci. – 2021. – Vol. 22, № 7. – P. 3765. DOI: 10.3390/ijms22073765
  29. The role of microenvironment in tumor angiogenesis / X. Jiang, J. Wang, X. Deng, F. Xiong, S. Zhang, Z. Gong, X. Li, K. Cao [et al.] // J. Exp. Clin. Cancer Res. – 2020. – Vol. 39, № 1. – P. 204. DOI: 10.1186/s13046-020-01709-5
  30. Vascular endothelial growth factor (VEGF) – key factor in normal and pathological angiogenesis / C.S. Melincovici, A.B. Boşca, S. Şuşman, M. Mărginean, C. Mihu, M. Istrate, I.M. Moldovan, A.L. Roman, C.M. Mihu // Rom. J. Morphol. Em-bryol. – 2018. – Vol. 59, № 2. – P. 455–467.
  31. Bates D.O. Vascular endothelial growth factors and vascular permeability // Cardiovasc. Res. – 2010. – Vol. 87, № 2. – P. 262–271. DOI: 10.1093/cvr/cvq105
  32. Chigvintsev V., Trusov P., Zaitseva N. Mathematical model of antitumor immune response of organism regulation // AIP Conf. Proc.: 29th Russian Conference on Mathematical Modeling in Natural Sciences. – 2021. – Vol. 2371. – P. 060001. DOI: 10.1063/5.0059532
  33. Age-Associated Loss in Renal Nestin-Positive Progenitor Cells / M.I. Buyan, N.V. Andrianova, V.A. Popkov, L.D. Zorova, I.B. Pevzner, D.N. Silachev, D.B. Zorov, E.Y. Plotnikov // Int. J. Mol. Sci. – 2022. – Vol. 23, № 19. – P. 11015. DOI: 10.3390/ijms231911015
  34. Vollmers H.P., Brändlein S. Natural antibodies and cancer // N. Biotechnol. – 2009. – Vol. 25, № 5. – P. 294–298. DOI: 10.1016/j.nbt.2009.03.016
  35. Perl A.J., Schuh M.P., Kopan R. Regulation of nephron progenitor cell lifespan and nephron endowment // Nat. Rev. Nephrol. – 2022. – Vol. 18, № 11. – P. 683–695. DOI: 10.1038/s41581-022-00620-w
  36. Mathematical model of tumor-immune surveillance / K.J. Mahasa, R. Ouifki, A. Eladdadi, L. de Pillis // J. Theor. Biol. – 2016. – Vol. 404. – P. 312–330. DOI: 10.1016/j.jtbi.2016.06.012
  37. A mathematical model for the glucose-lactate metabolism of in vitro cancer cells / B. Mendoza-Juez, A. Martínez-González, G.F. Calvo, V.M. Pérez-García // Bull. Math. Biol. – 2012. – Vol. 74, № 5. – P. 1125–1142. DOI: 10.1007/s11538-011-9711-z
  38. Plank M.J., Sleeman B.D., Jones P.F. A mathematical model of tumour angiogenesis, regulated by vascular endothelial growth factor and the angiopoietins // J. Theor. Biol. – 2004. – Vol. 229, № 4. – P. 435–454. DOI: 10.1016/j.jtbi.2004.04.012
  39. Vilanova G., Colominas I., Gomez H. A mathematical model of tumour angiogenesis: growth, regression and regrowth // J.R. Soc. Interface. – 2017. – Vol. 14, № 126. – P. 20160918. DOI: 10.1098/rsif.2016.0918
  40. Камалтдинов М.Р., Кирьянов Д.А. Применение рекуррентных соотношений для оценки интегрального риска здоровью населения // Здоровье семьи – 21 век. – 2011. – № 3. – С. 6.
  41. Трусов П.В., Зайцева Н.В., Чигвинцев В.М. Оценка риска неблагоприятного течения и исхода инфекционного заболевания при воздействии факторов среды обитания на основные элементы иммунной системы (на примере оксида алюминия) // Анализ риска здоровью. – 2019. – № 1. – С. 17–29. DOI: 10.21668/health.risk/2019.1.02
Получена: 
30.09.2023
Одобрена: 
06.12.2023
Принята к публикации: 
20.12.2023

Вы здесь

Главная